在全球应对气候变化的大背景下，氢能产业正在加速发展，其中，电解水制氢技术因其清洁性正在逐步成为氢能产业的主要发展方向。然而一直以来，电解水制氢依赖淡水资源，给其规模化应用带来了挑战。海水直接电解制氢为未来电解水制氢，特别是绿氢生产提供了新的发展思路。
日前，《自然—通讯》期刊发表了一项中国科研团队关于海水直接制氢的全新原理技术和海上绿电直接对接的可行性和稳定性最新成果。该成果基于中国工程院院士谢和平团队独创的海水原位直接电解制氢全新原理技术，是全球首个海上风电直接制氢的技术示范，首次实现了中国学者提出的全新原理技术在真实环境下的可行性和稳定性，首次验证了海上风电无淡化直接制氢抗海洋环境干扰的可行性。
海水电解制氢将如何影响未来能源产业发展，技术突破又将如何带动海水电解制氢的规模化、产业化发展？记者就此专访了中国工程院院士、深圳大学教授谢和平。
瞄准最具潜力路线
记者：海水电解制氢愈发受到科研和产业界关注。在您看来，海水电解制氢的优势何在，将给能源领域带来哪些变化？
谢和平：海水电解制氢的意义体现在三方面：一是海水资源非常丰富，如果能够通过海水电解制氢，将不受陆地领土边界限制，将取之不尽的资源转化为绿色能源；二是全球气候变化直接后果是海平面上涨而造成人类未来生存陆地面积逐渐减少，如果能规模化实施海水制氢，就能大量减少二氧化碳排放，可能在一定程度上延缓海平面上涨；三是未来随着绿氢大规模制备和应用，水资源短缺可能限制电解水制氢发展。预计2060年，我国氢气需求将达1.3亿吨，约消耗23亿吨制氢用水，等于2000多万人口的深圳市全年用水需求。而用海水直接电解制氢，不需要占有大量淡水资源，还能促进绿氢产业发展。
在追求碳中和成为全球共识的背景下，能代替灰氢的电解水制氢必将成为全球氢能生产的发展趋势。海水直接制氢不仅是我们要解决的碳中和与气候变化科学问题，也是未来氢能大规模发展比较迫切的现实问题。
记者：您如何看待未来海水电解制氢技术发展的方向及趋势？
谢和平：目前海水电解制氢主要有两个技术方向：一是先把海水变成纯水或预处理再电解制氢，二是用海水直接电解制氢。
海水先淡化或预处理再电解制氢的技术比较成熟。近年来，我国陆续有一些示范项目正在建设。但该方法会在两个方面增加成本和能耗。一是将海水变成可以满足电解水制氢水质的纯水，需要把海水进行沉降预处理，然后增压进行多级反渗透，推高制氢过程成本。二是假如未来和漂浮式风电结合的漂浮制氢平台，就需要在漂浮平台上设置水净化或预处理系统，额外占用的平台面积和载重会增加系统的工程难度和后期维护运营成本。
显而易见，海水直接电解制氢将有望节约海水淡化成本和制氢系统的工程建设成本，是更具潜力的未来技术路线。
解决长期困扰难题
记者：海水直接电解制氢的难点是什么？
谢和平：主要难点在于海水成分非常复杂。海洋是地球上最大的连续矿体，几乎拥有自然界所有元素。这些元素可能影响电解水制氢反应的正常进行。比如，氯离子引发的析氯反应有可能和本来该发生的析氧反应竞争而导致催化剂腐蚀毒化；钙、镁等离子容易在电解反应过程中形成沉淀物，像“血栓”一样堵塞在制氢系统内部各个关键位置上，导致电解系统失效。同时，不同时段、不同地理位置、不同深度的海水包含的离子、杂质、微生物等成分差异非常大，海水成分差异和波动使催化剂和电解槽对海水水质的兼容性也提出了非常大的挑战。
半个世纪以来，全球众多科学家围绕催化剂工程、电解制氢工艺和膜材料隔离等方面开展了众多海水直接制氢的研究探索，但目前为止，低成本、不受海水复杂影响的海水直接电解制氢仍是全球技术空白。
记者：我国科学家团队做了哪些工作，取得了哪些成绩？
谢和平：基于对物理力学的深刻理解，我们团队提出和独创了将物理力学与电化学反应相结合的相变迁移驱动的海水直接电解制氢全新原理和技术。简单来讲，相变迁移核心优势是可以在不额外增加能耗的情况下，将液态的水转变为气态水，从而让水分子从海水中高效分离出来，并用于电解制氢。
此后，我们在攻关研发过程中形成了三大原理技术：一是海水无能耗传质原理技术，二是电解质自激发驱动的连续制氢原理技术，三是电解界面稳态自调节原理技术。最终，我们自主攻关形成了全球首套400升/小时的制氢设备原理样机，整体吊装在海水里实现了3200小时的稳定制氢。
2022年底，相关成果已被《自然》正刊接收。这是全球海水电解制氢领域的首篇《自然》正刊。《自然》评价称，该团队解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题，将打开低成本燃料生产的大门，推动社会可持续发展。
推动新技术产业化
记者：上述技术的产业化情况如何？
谢和平：论文在《自然》发表后，我们团队联合东方电气进行产学研合作，双方签署了合作协议，并组建联盟共同推进海水直接电解制氢技术的海试、工程示范和产业化。我们联合设计了海水直接制氢的漂浮式平台，并联了三套原理样机。
2023年6月，经中国工程院专家组现场考察后确认，双方开展的全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试在福建兴化湾海上风电场获得成功，验证了在海上直接和绿电对接做电解制氢的可行性，同时也验证了在不可控波动环境下、抗海洋风浪的可行性。近日，该成果已在《自然—通讯》上发表。
记者：未来如何进一步推动海水直接电解制氢发展？
谢和平：从技术发展角度，我们提出了原理技术的迭代升级，加快步伐攻关第二代更高效、更高兼容性、更高稳定性的分体式海水直接电解制氢核心技术及装备，保持海水直接制氢技术的全球领先优势。应用方面，下一步，我们要打造100标准立方米/小时氢气规模“制—储—用”全链工程示范，打造全新的海水无淡化原位直接制氢产业赛道。
未来，我们希望将团队原创性技术直接对接海上风电等可再生能源，实现无海水淡化过程、无额外催化剂工程、无海水泵送输运过程、无海水污染处理过程以及无海水淡化预处理设备平台的无需额外能耗海水原位直接电解制氢。这意味着，当海上风电上网电价为0.2元/千瓦时至0.3元/千瓦时，绿氢生产成本则约15.89元/公斤至21.49元/公斤，相比煤制灰氢9元/公斤至12元/公斤，以及天然气制蓝氢20元/公斤至24元/公斤，极具降本空间。同时，随着未来海上风电技术的进一步发展和上网电价下降至0.1元/千瓦时左右及以下时，海水直接制氢成本有望低于煤制灰氢成本。
